Die Simulation am Bildschirm ist ein wichtiges Hilfsmittel, um Produkte und Konstruktionen effizient zu gestalten und ohne lange Versuchsreihen auf das Optimum hin zu verfeinern. Die Möglichkeiten, Konstruktionen mit der Finite-Elemente-Methode FEM am Bildschirm zu entwerfen, sind enorm.
Die Berner Fachhochschule BFH erforscht die Anwendung der FEM für geklebte Glas/Rahmen-Konstruktionen an beweglichen Fensterflügeln. Das Augenmerk liegt dabei auf den Kleb- und Dichtstoffen (Acrylat, PU, Silikon), der Fenstergeometrie, der Anordnung der Klebefuge und der Verklebungsart. Im Weiteren geht es um die Modellierung von Materialeigenschaften, statischen Anforderungen sowie um Versagensmechanismen. Das Zusammenspiel all dieser Parameter lässt sich bei einer geklebten Glas/Rahmen-Konstruktion bereits weitgehend am Bildschirm simulieren.
Was ist die Finite-Elemente-Methode FEM?
Grundlage ist die sogenannte Finite-Elemente-Methode FEM, ein numerisches Verfahren. Sie ermöglicht Festigkeits- und Verformungsuntersuchungen komplexer geometrischen Formen und Kräfteverhältnisse und berücksichtigt dabei das spezifische Materialverhalten. Indem man Kräfte, Lasten und Randbedingungen für eine endliche Zahl von Elementen erfasst, lässt sich das physikalische Verhalten des Gesamtkörpers abbilden und am Bildschirm optimieren. Der Nutzen: Kürzere Entwicklungszeiten, weniger Prüfreihen, mehr Produktsicherheit – und damit mehr Schlagkraft am Markt. Die Forschungsergebnisse werden jetzt noch überprüft und validiert, bevor sie an die Industrie weitergegeben werden. Konkret geht es darum, die zuvor errechneten Verformungswerte unter verschiedenen Lastfällen praktisch nachzuprüfen.
Mit der 3D-Messung den Verformungen auf der Spur
Die errechneten Werte werden mit dem Messverfahren „Digitale Bildkorrelation“ (Digital Image Correlation DIC) geprüft. Das Verfahren wurde auf der Fensterbau Frontale 2022 vorgestellt. Dieses kamerabasierte Verfahren zur berührungslosen Verformungsmessung kommt bei Materialprüfungen und bei mechanischen Bauteiltests zur Anwendung. Zwei spezielle Kameras zeichnen dabei die Verschiebungen beliebiger Objektgeometrien unter Last auf. Zusammengeführt zeigen die Bilder die dreidimensionale Verformung des Prüfteils.
Wichtig zu wissen, dass dieses Verfahren nicht nur Rückschlüsse auf die 3D-Verformung zulässt. Es erkennt dank Pixelkoordination auch die Dehnungen in der Bauteiloberfläche.
Und noch wichtiger: Die in Biel zum Einsatz kommende Prüfanlage der BFH misst die Verformungen mit einer Genauigkeit im Bereich von 1/100 mm. Die bisher gefahrenen Versuchsreihen bestätigen die mittels FEM errechneten Ergebnisse für geklebte Glas/Rahmen-Konstruktionen weitgehend. Die Validierung der Forschung zu modellierten Verklebungen ist damit auf gutem Weg.www.bfh.ch
Foto: Bieler Fachhochschule